（环境工程专业论文）透水混凝土生态膜生物反应器污水脱氮机理及工艺特性研究.pdf

摘要 根 据环境 微生 物学理论，结合实验监测和分析 结果， 推导得出了透 水混凝 土生态膜生物反应器的去除有机物和硝化反应动力学方程，分别为: s = s o e x p ( - 1 7 . 8 q s 。 一。 ” _ 、 ， _ _a l )r 1 ” 一 ” 。exrt一 .0 瓦而 l )oex p (- 7 .6 1 q s o, , 本研究探 讨了 透水 混凝土生态 膜生物反 应器反 应机理和反应动力学， 为该项 技术在城市污水处理的工程应用提供了依据，具有一定的实用价值。 关键 词: 城市污水; 透水混凝土生态膜; 生物膜特征:脱氮;去除 有机物 ab s tra c t abs tr act i t i s n e c e s s a ry t o r e s e a r c h t h e w a s t e w a t e r t r e a t m e n t t e c h n o l o g y , w h i c h i s l o w c o n s t r u c t i o n c o s t s , l o w o p e r a t i o n a n d m a i n t e n a n ce c o s t s , o n t h e s i t u a t i o n o f t h e s e ri o u s w a t e r p o l l u t i o n a n d t h e r e l a t i v e l y f u n d d e f i c i e n t . t h e p o r o u s c o n c r e t e e c o - fi l m s w a t e r t r e a t m e n t t e c h n o l o g y i s p re s e n t e d f o r m e e t i n g t h e r e q u e s t . i n t h i s p a p e r , p o r o u s c o n c r e t e e c o - fi l m s w h i c h i s m a d e fr o m c e m e n t , c r u s h e d s t o n e s , c o a l a s h a n d t h e a c t i v a t e d ma t e ri a l c r l t 1 , a r e u s e d t o t r e a t w a s te w a t e r i n c a n n e l r e a c t o r m a d e b y o u r s e l v e s . t h e e ff e c t o f s t a rt - u p c h a r a c t e ri s t i c a n d o p e r a t i o n c o n d i t i o n o n c o d a n d t n r e m o v a l w a s i n v e s t i g a t e d . t h e b i o m a s s , s o u r a n d m i c r o o r g a n i s m d i s t r i b u t i o n w a s o b s e r v e d . t h e c h a r a c t e r i s t i c o f b i o - fi l m a n d c a p a c i ty o f n i t r o g e n re m o v a l w e re a n a l y z e d . t h e s t a rt - u p o f p o r o u s c o n c r e t e e c o - f i l m re a c t o r i s r a p i d . u s i n g t h e w a y o f c y c l e s t a rt - u p , f o r m a t i o n o f b i o - fi l m a c c e l e r a t e s , a n d o n l y 1 5 d a y s i s n e e d e d t o g e t s t e a d y o p e r a t i o n . t h e e ff i c i e n c y o f c o d a n d t n re m o v a l w a s s t u d i e d u n d e r d i ff e re n t o p e r a t i o n c o n d i t i o n , u s i n g s e w a g e . o p e r a t i o n re s u l t s f o r h a l f a y e a r i n d i c a t e d t h a t s i m u l t a n e o u s n i t ri fi c a t i o n a n d d e n i t r i fi c a t i o n ( s n d ) c a n b e o b s e r v e d i n rea c t o r , a n d t h e r e a c t o r h a s o p e r a t e d s t e a d i l y , s u g g e s t i n g t h a t re a c t o r h a s c a p a c i ty t o s u i t s h o c k l o a d i n g s . u n d e r t h e c o n d iti o n o f re s id e n t tim e o f 2 .5 h , o rg a n ic lo a d o f 1 .0 4 - 3 .o l k g c o d /(m 3 - d ), c / n r a t i o o f 4 .0 - 9 . 5 a n d c o n c e n t r a t i o n o f l o w d o ( d o c o n c e n t r a t i o n a b o u t 1 . 5 m g / l i n e n t ry ) , r e m o v a l e ff i c i e n c y o f c o d , n i -i 4 - n a n d t n re a c h 7 6 %, 6 6 % a n d 3 3 % , re s p e c t i v e l y . c / n r a t i o h a s a n o b v i o u s i n fl u e n c e o n s i m u l t a n e o u s n i t r i fi c a t i o n a n d d e n i t ri fi c a t i o n . n i t r i fi c a t i o n e ff i c i e n c y i s i n c r e a s e d s l o w l y , t h e n d e c r e a s e d e v i d e n t l y , d u ri n g t h e t r e a tme n t o f s e w a g e . wh e n c / n r a t i o i s 7 . 7 , r e mo v a l e ff i c i e n c y o f t n i s t h e h i g h e s t , u p t o 3 8 % . t h e d o d i s t r i b u t i o n i s n o n - u n i f o r m i ty i n t h e re a c t o r . u n d e r cer ta i n fl u x , d o c o n c e n t r a t i o n r e d u c e s g r a d u a l l y a l o n g t h e d i r e c t i o n o f l e n g t h a n d d e p t h , re s u l t i n g i n t h a t u p p e r w a t e r i s a e r o b i c , m i d d l e i s a n o x i c , b o t t o m i s a n a e r o b i c . t h e v a l u e o f p h d e c r e a s e s s l i g h t l y a l o n g w i t h t h e d i r e c t i o n o f l e n g t h ab s t r a c t i n t h e r e a c t o r t h e r e a r e a b u nd a n t p r o t o z o a n a n d me t a z o a n wh i c h e s t a b l i s h e d a l o n g f o o d c h a i n . b i o m a s s a n d s o u r d e c r e a s e o b v i o u s , a n d b i o ma s s a n d s o u r o n b io f ilm a r e 3 .1 6 - -1 0 .7 2 m g / c m 2 a n d 8 .3 2 - 1 4 .5 9 m g o ,/ g -h , r e s p e c ti v e ly , a lo n g w ith t h e d i r e c t i o n o f r e a c t o r l e n g t h . d u e t o d i ff e r e n t i n t e r i o r m i c r o e n v i r o n m e n t , t h e s n d p h e n o m e n o n o c c u r r e d i n d i ff e r e n t r e g i o n s o f t h e r e a c t o r . t h e a m o u n t o f n i t r o b a c t e r i a a n d n i t r o s o m o n a s d e c r e a s e o b v i o u s l y i n t h e t a i l o f t h e r e a c t o r . a c c o r d i n g t o t h e p r i n c i p l e o f e n v i r o n m e n t a l m i c r o b i o l o g y , c o m b i n e d w i t h e x p e r i m e n t a l r e s u l t s , k i n e t i c s e q u a t i o n s f o r d e g r a d a t i o n o f o r g a n i c p o l l u t a n t s a n d n i i 4 十 一w e r e d e d u c e d a s f o l l o w i n g : s = s o e x p ( - 1 7 . 8 q s 。 一 ” l ) a n d s = s o e x p ( - 7 . 6 1 q s 0 o.; l ) t h e s t u d y e c o - f i l m r e a c t o r , d i s c u s s e d t h e r e a c t m e c h a n i s m a n d k i n e t i c s o f p o r o u s p r o v i d e d a b as e o f e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n a n d i s o f c o n c r e t e 油p o r t a n t s i 娜 fi c a n c e , f o r s e w a g e t r e a t m e n t . k e y wo r d s : m u n i c i p a l s e w a g e ; p o r o u s c o n c r e t e e c o - f i l m; b i o fi l m c h a r a c t e r i s t i c s n i t r o g e n r e m o v al ; c o d r e m o v a l i v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果. 据我所知，除了 文中 特别加以 标注和致谢的 地方外，论文中不包含 其 他 人已 经发 表 或 撰 写过的 研究 成果， 也 不 包含为 获得 击昌大李 或 其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) : 字 日 期 : , 4 4 6 j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论 文 作 者 完全了 解 南昌大学 有 关 保留、 使 用学 位 论文的 规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅 和 借阅. 本人 授 权南备大李可以 将学 位论文 的 全部或 部 分内 容 编入有关数 据 库 进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 ( 手写):导师签名 ( 手写): 签 字 日 期 : 叫年 c ” t 日 签字日期: 年 子 月 / 0 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 第 t 章绪论 第 1 章绪论 水环境中氮的来源及其危害 1 . 1 . 1氮的来源 氮是植物的重要 营养元素，也 是污水 进行生 物处理时微生物 所必需的营 养 物质。自 然界的 氮以 三种形 式存在: 分子态氮、 有机态氮和无机态氮。 进入水体的氮、 磷来源是多方面的，主要 来源于城市生活污水、工业废水 及农业性污染， 包括肥料、农药、 大量洗涤剂的生 产与使用，以及人、 动物粪 便带来的 污染。 城市生 活污水中 含有丰富的 氮、 磷， 其中 粪便是生活 污水中 氮的 主要来源， 许多工业废水中的氮主要以有机氮和氨氮形式存在， 严重威胁水资 源的利用。 其中， 有机氮以 氨基和非氨基形式存在于化合物中， 这类化 合物有蛋白 质、氨 基酸、有机胺、尿素、 硝基化合物、重氮化合物和尿酸等。 排放高 浓度氨氮废 水的 工业如化肥工业、肉 类加工、 饲料加工、味精生 产和炼油等。 1 . 1 . 2氮在水体中的危害 在天然地表水中，氮化合物 ( n h 4 . n 0 2 - , n 0 3 ) 的总量一般小于0 . 5 m g / l , 在人类活动的 影响下，生物所需要的氮、磷等营养 物质大量进入湖泊、河口 、 海湾等缓流水体，引起藻类及其它浮游生物迅 速繁 殖， 水体溶解氧含量下降， 水质恶化， 鱼类及其它生物等生命活动受到影响， 称为 水体富 营养化m 。 判断水 体富营养化通常采用的 指标是:含氮量大于 0 .2 - 0 .3 m g / l ， 含磷 量大于 0 .0 1 - 0 .0 2 m g /l , b o d ，大于 1 0 m g /l o 富 营 养 化对 水 体 的 影 响 及 危 害 主 要 表 现 为 如 下 七 方 面 z : 3 - 5时，即可认为碳源是充足的，不需外加 碳源，否则应投加甲 醇、乙醇作为有机碳源，它的反硝化速率高， 被分解后的 产物为c o z 和h z o . 1 . 2 .2生物脱氮新理论 1 . 2 . 2 . 1同时 硝化反 硝化 ( 1 )同时 硝化反硝化理论 近年来，国内外的研究者在不同类型的反应器中都发现了有氧条件下总氮 的非同 化减少现象， 即同 时硝化和反硝化 ( s i m u l t a n e o u s n i t r i fi c a t i o n a n d d e n i t r i fi c a t i o n , s n d ) 。 利用s n d可实 现单个反应器内 完成的生物 脱氮过程。 对 于同时 硝化和反硝化发生的原因， 学术界主要三种解释:宏 观环境解释、微环 境理论和生物学解释。 宏观环境 ( 混合形态) 理论:由于充氧装置的 充氧不均 和反 应器的构 造原 因， 造成生物 反应器形态不均， 在反 应器内形成缺氧/ 厌氧段而形成同步硝化反 硝化作用。 微环境理 论:是从物理学角 度对同步硝化反硝化现象进行解释，该 理论考 虑活性污泥和生物膜的微环境中各 种生态因子 ( 如溶解氧、 有机物及其它营养 物质) 的传递与变化，各类微生 物的 代谢活动及其相互关系，以 及微环境的 物 理、 化学和生 物条 件或状态的变化。 微环境理论认为:由 于氧扩散的限 制， 在 微生物絮体或者生物 膜内 产生溶解氧梯度，即微生物絮体或生物膜的外表面溶 解氧浓度高，以好氧 硝化菌及氨化菌为主，深入絮体内 部， 氧传递受阻 及外部 氧的大量消耗，产生缺氧区，反硝化菌占优，从而形成有利于实现同步硝化反 硝化的微环境。目 前， 此种理论 解释同 步生 物脱氮 现象已 被广泛接受。 微生物学理论: 通常 硝化细 菌是自 养型好氧微生 物， 依靠n 氏 - n和n 0 2 - n 的氧化获得能量生长，需 要o z 作为 呼吸的最终电 子受体。 ( 2 )同时硝化反硝化影响因素 溶解 氧 ( d o ) d o直接影响生物脱氮系统的硝化反硝化程度。首先，d o应满足含碳有机 5 第 1 章绪论 物的 氧化以 及硝 化反 应的 需要; 其次， d o不宜 过高， 以保 证污泥絮体内 缺氧微 环境的 形成，同时 使系统中 有机物不至于过度消耗而影响 反硝化反应的 顺利进 行。 在同步硝 化反 硝化过程中， 由 于硝化菌 和反 硝化菌 对d o的 需求不同， 存在 一个最佳范 围。 将d o控制在适当的范围内，使 硝化速率和反硝化 速率越接近， t n的去除效 果越好。吕 锡武等闭 采用序批式反应器处理氨 氮废水，试验结果表 明，系 统好氧反硝化脱氮能力随混合液溶解氧浓度的提高 而降 低，当 溶解氧浓 度为0 .5 m g /l 时 ， 总 氮 去 除 率 可 达到6 6 % . 赵 玲 等 1研 究了 复 合s b r 系 统 对 有 机物和氮的去除过 程及其效果， 结果表明，保持混合液 溶解氧浓度在3 - - 5 m g / l , 总氮去除率最高， 达到8 4 % 。徐伟锋191 在研究生物 膜的同 步硝化反硝化时发 现， d o浓 度的 增加可提高硝化反应速率， 但会降低反 硝化 速率， 反 之d o浓度的降 低， 不仅降 低硝化反应速率和总脱氮率，而且出 现亚硝酸盐的积累。 只有保持 适当 的d o水平才能实现含 碳有机物氧化、 硝化和反 硝化。 温度 温度对s n d的 影响表现为温度对硝化菌 和反硝化菌的 影响。 一般来说， 温 度在 1 0 - 2 0 时 硝酸菌较为活跃: 2 0 2 5 时，硝酸 菌活动减弱，而亚 硝化反 应加快， 2 5 时 达到最大，高于2 5 后， 游离 氨对亚 硝酸菌的抑 制较为明 显1 2 1 p h值 p h是影响 废水生物脱氮处理工艺运行的一个重要因 子。 应根 据废水中的 碱 度 情 况 适 当 地 调 整， 并 保 持p h 值 在8 .。 左 右 1 101 污泥龄 微生物在反应器内的停留时间必须大于自养型硝化菌及异养型反硝化菌最 小的 世代时间， 否则硝化菌及反硝化菌的流失率将大于 净增殖率， 将使硝化菌 及反硝化菌从系统中流失殆尽。 实际运行中， 一般应使系统的 污泥 龄为 硝化和反 硝化菌世代期的两 倍以 上。脱氮工艺中的 污泥龄主要由 亚硝化菌的世 代期 控制， 因而污泥龄的确定应依据亚硝化菌的 世代期来确定 1 0 1 。一 般而言， 生物脱氮工 艺的污泥龄 应控制在3 -5 d 以 上， 有的可高达1 0 -1 5 d e 碳氮比 在废水生物除氮过程中，有机碳源作为异养好氧细菌和反硝化过程的电 子 受体，起着非常重要的 作用。它是细菌代谢必需的 物质和能量来源， 是反硝化 反应得以 有效进行的必备条件。因此足够的碳源是 保证有效的 反硝化反 应所需 的必要条件. 污水有机碳浓度过低，满足不了反硝化的要求; 浓度过高， 使得 第 1 章绪论 硝化菌属的同 化作 用占 优而不利于氨氮去除。 李丛娜等 i i i 对 s b r反 应器同 步 硝化反 硝化脱 氮研究表明， 进水c o d / n h 3 比 值越高 ，总氮去除率越高，同 步硝 化反硝化现象越明显。 wa t a n a b e 等 1 2 1 研究了 在单一r b c中 实现s n d的 两种方式: 一种为通过降 低气相中 氧分压控制氧的传递速率，如当c / n = 6 ， 氧分压为l o k p a 时， 可获得 大于9 0 % 的脱氮效率; 另一种为 采用部分浸没式和完全浸没式相结合的r b c反 应器， 研究了 有机物类型、 进水c / n比 等因素 对s n d效率的影响。 y o o . h等 1 3 1 研究了 间歇式曝气反应器中的 s n d现象并确定了 关键的控制参数。 k l a n g d u e n p o c h a n a la 1认 为 当t c o d /t k n为5 - 2 0 时， 理 论 上 应 可以 满 足 反 硝 化 过 程 的 需 要 ， 同时得出添加可溶性有机物 ( s c o d )可有效地提高同时硝化反硝化的效率。 氧化还原电 位 通过控制系 统中的o r p在适当的范围内可以 获得较好的s n d效果。 一般 情况 下 ， 较高o r p 有 利 于s n d的 发生 。 有 研 究 表明 ， o r p 和d o , p h 值 等 有 着密切的 关系， 通过控制o r p 可以 间接控制溶解氧浓度，进而控制同时 硝化反 硝化进程。b e r a n z a 1 5 认为较高的 o r p有利于氮的去除，最佳 o r p为 1 5 0 - 2 0 o m v ; 周少奇等认为最佳o r p 范围 为 1 2 0 - 2 0 0 m v o z h a o h . w . 等 11 6 1 在两 段间歇曝气完全混合反应器 ( i a c m)中对 s n的控制因素做了小试研究，结 果表明氧化还原电位 ( o r p )可用作 s n d的实时控制参数。 1 . 2 . 2 . 2短程硝化一反硝化生物脱氮原理 ( 1 ) 短程硝化一反硝 化生物 脱氮理论 短程硝化反硝化生物脱氮 就是将硝化过程控制在h n 0 2 阶段， 随 后在缺 氧条 件下进行反硝化，也就是不完全硝化反硝化生物脱氮。 与全程硝化反硝化相比 ，短程硝化反硝化具有如下的 优点 冈 : 从硝 化反 应式可以 看出，l m o l n h 4 氧 化到 n 0 2 需要 1 . 5 m o 1 o 2 ，而氧化到 n 0 3 则需要 2 . o m o l o 2 ，所以 硝化阶段可减少2 5 % 左右的 需氧量，降低了 能耗: 由于反 硝 化1 g n o d -n需 有 机 物 ( c o d ) 1 .7 2 g ， 而 反 硝 化1 g n 0 3 = n 需 有 机 物 ( c o d ) 2 . 8 6 g ，因 此可 减少4 0 % 左右的有机 碳源，降低了 运行费 用: 缩短反 应时间， 相应反应器容 积可减小3 0 0/ o - 4 0 % 左右; 具有较高的反硝化速率; 污泥产 量降低 ( 硝化过程可少产污泥2 4 %- 3 3 %左右，反硝化过程中可少产污泥 5 0 %左 右): 减少了 投碱量等。 第 1 章绪论 ( 2 )影响因素 要实现 短程硝 化反硝 化脱氮， 关键是如何控 制硝化 过程停止在h n o z 阶段。 传统硝化过程是由亚硝酸菌和硝酸菌协同完成的，由于这 2类细菌在开放的生 态系统中形成较为紧密的互生关系，将氨氧化为硝酸，因此完全的亚硝酸化是 不可能的。短 程硝 化的 标志是稳定且较高的 h n o z 积累 ( 大于 5 0 % )，影响亚 硝 酸 积 累 的 因 素 主 要 有 温 度、 p h 值 、 溶 解 氧 、 有 害 物 质、 泥 龄 等 。 温度 生物硝 化反应 在 5 4 5 内 均可进行， 适宜 温度为2 0 -3 5 1c ， 一般低于1 5 0c 硝化速度降 低，但 低温对 硝化产物及 2类硝 化菌活 性影响 不同， 1 2 -1 4 下活 性污泥中硝 酸菌活 性受到 更严重的 抑制， 出 现h n o z 积累 : 通常情况下1 5 - 3 0 0c 范围 内硝化 过程形 成的亚 硝酸可完全被氧化成硝酸。 温度超过3 0 又出 现h n q 积 累 . 但 在 中 温条 件下( 2 0 - 3 0 0c ) 控 制p h值 、 d o 、 进 水 游 离 氨 浓 度 ， 也 可 实现h n 仇的积累。 有 研究 表明 在中 温条件下， 随 着温度的提高h n 伍积累量增 大 ; i。 支 霞 辉等 1 81采 用s b r 工 艺 在 常 温 下 进 行 不 同 因 素 对 废 水 短 程 硝 化 反 硝 化 的影响实验，实验证明，亚硝酸盐有较高的耐盐性，能在高盐环境中保持 良好 的 活性。 b a l m e l l e 等0 9 1 表明当 温度在1 0 - 2 0 之间硝化菌 属活性大， 在此条件下， 亚硝酸盐积累很低， 温度 对硝化菌属的影响比 游离氨的 抑制作用啊。 相反，如 果温度超过2 5 c，硝化反应速率降低，而亚硝化反应速率增大。 p h 值 p h 值对亚 硝化反 应的 影响有2 方面: 一方面是亚 硝酸菌生长要求有合适的 p h值 环境:另 一方面是p h值对游离氨浓度有重大影响， 从而影响亚硝酸菌的 活性。 一般认为亚硝酸菌要求最适合的p h值在7 8 .5 , 硝酸菌为6 -7 . 5 ， 反应 器中p h 值 低 于6 .5 ， 则 整 个 硝 化 反 应 会 受 到 抑 制， p h 值 升 高 到8 以 上 ， 则 出 水 h n o z 浓度升高，出 现h n o z 积累。 d o 溶解氧是控制亚硝酸盐 积累的关键参数之一， 溶解氧浓度不能 太高，太高 会使亚硝酸盐氧化，不利于亚硝酸盐的积累，但也不能太低，太低会造成供氧 不足，不利于亚硝酸盐的生成。 泥龄 亚 硝酸菌的世 代较硝酸菌短， 在悬浮处理系统中 若泥 龄介于 硝酸菌和亚硝 酸菌的最小停留时间之间时， 系统中的硝酸菌会逐渐被“ 淘洗” 掉， 使亚硝酸菌成 第 1 章绪论 为系统中优势硝化菌，硝化产物以h n 仇为主。 袁林江2对短程硝化反硝化的 进行了研究，周少奇2 11 从计量学角度研究了 以 n 0 2 . 作为电 子受体的反 硝化 过程， 在研究高 氨氮垃圾填埋场渗滤水的同 时硝 化反硝化过程中发现部分氨氮的去除是通 过了短 程硝化反硝化途径。 1 .2 .2 .3厌氧氨氧化 ( 1 ) 厌氧氨氧化理论 a n a m m o x即 厌氧氨氧化工艺 是荷兰d e l ft 技术大学1 9 9 0 年提出的一种新 型脱氮土艺。该工艺的特征是在厌氧的 条件下，以硝酸盐或亚硝酸盐为电 子受 体， 将氨氮氧化生成 氮气。 g r a d认为 厌氧氨氧化的 反应是按下式进行的122 1 , n h 4 + n o 2 - -n 2 + 2 h 2 0 目 前推测厌氧氨氧化有多 种途径22 -2 5 1 :第一种是 包括轻氨和亚硝酸盐生成 n 2 0 的反 应， 而n 2 0可以 进一步转化为氮气，氨被氧化为轻氨;第二 种是 氨和 轻氨反应生成联氨， 联氨被转化成氮气并生成4 个 还原性 h ， 还原 性问 被传递 到亚硝酸还原系统形成经氨; 第三种是 一方面亚硝酸被还原为n o ， n o被还原 为n 2 0 , n 2 0 再 被还原为n 2 ，另一方面， n h 4 十 被氧化为n h 2 0 h , n h 2 0 h经 n 2 h 4 . n 2 h 2 被转化为n 2 - ( 2 ) 影响因 素 厌氧氨氧化过程是在微生物 ( a n a m mo x 菌) 的作用下进行的，而a n a mm n x 菌生活在其形成的特定环境中，因 而与 环境条件关系极为密切。在各种影响因 素 中 ， 最 主 要 的 有 反 应 器 的 生 物 量 、 基质 浓 度、 p h 值 、 温 度 等 生物量 厌氧氨氧化过程生物量越高，意味着有更多的a n a m mo x 菌在作用， 因而厌 氧氨 氧 化 速率 也 相 应 提高 2 1 基质浓度 在 厌氧氨 氧化污 水处 理过程中， 污水中的 氨氮和n o x 是a n a m m o x 菌的食物 与能 源的主要来 源， 厌氧氨氧化速率与两者浓度有关。 氨氮和 n o 在低浓度时 供作基 质， 但在高浓 度时 则成为抑制剂， 抑制细菌的生长并干扰细菌的代谢。 p h值 p h值对厌氧氨氧化反应的 影响， 主要来自 它对生物和基 质的影响.有实 验 得出 26 1 ， 其 最 适p h 值 在7 .5 附 近， 认 为 厌 氧 氮 氧 化 反 应 的 限 速酶 只 有 在 特定 的 第 1 章绪论 离解 状态才起作用。 温度 温度对微生物的影响很大。 有研究表明 2 6 1 ，当 温度从1 5 升到3 0 时， 厌 氧氨氧化速率随 之增大，但继续升至3 5 时， 反应速率下降，最 适温度在3 0 0 c 左右口 朱静 平等 2 7 1 采用s b r反应器接 种好 氧硝化污泥，在较高负 荷下成功启动了 厌 氧 氨 氧 化 反 应 器， 反 应 器 总 氮 容 积 负 荷 ( 以n 计) 为0 .4 3 吨/m 3 d ， 总 氮 去 除 率最高 达到9 3 . 3 % ，平均为8 0 . 5 % 0 1 .3生物膜研究进展 生 物膜法污水处理技术是利用附 着生长 于某些固体物 表面的微生物 ( 即生 物膜) 进行有机污水处理的 方法。生 物膜是由高 度密 集的 好氧菌、厌氧菌、兼 性菌、真菌、原生动物以及藻类等组成的生态系统，其附着的固体介质称为滤 料或载体。生物膜自 滤料向 外可分为 厌氧层、 好氧层、附 着水层、运动水层。 生物膜法的原理是，使微生物附着在载体表面上，污水在流经载体表面过程中， 通过有机营养物的吸附、氧向 生物膜内 部的 扩散以 及在膜中所发生的生物氧化 等作用，对污染物进行分解， 流动水层则 将老化的 生物膜冲掉以 生长新的生物 膜，如此往复以达到净化污水的目的。近二、三十年来，伴随着新型滤料的开 发和配套技术的不断完善， 相对于活性污泥法，生 物膜法发展极其迅速，己 成 为 当 今 废 水生 物 处 理 领 域 研 究 的 主 流 128 1 1 . 3 . 1生物膜的形成过程 微生物能在水环境中的 任何适宜的 载体 表面牢固的附 着，并在其上生长和 繁殖，由 细胞表面向 外生长的 菌丝体 与胞外聚 合物 形成纤维状的缠结结构， 此 即为生物膜。由 于废水中 含有多种可 溶性或 不溶性 污染物 质，通常观察到的生 物膜还含有大量被吸附 或镶嵌于其内的 非生 物物质。 利用生物膜进行废水处理 的工 程过程主要 包括: 好氧生物 滤池、 生物转盘、 厌氧生物滤池及流 化床等 2 9 1 组成生 物膜的 微生物相主要有细菌、 真菌、 藻类、原生动物和后生动物 等， 还有病毒。这些微生物体， 有些结构简单如原核生 物，有些细胞结构则 较复杂 如真核生物，而病毒仅具有非细胞的 组织结构。一般说来，生物相组成与 活性 随有 机负 荷、 水力 负荷、 废水成分、 p h值、 温度、通风情况及其它影响因素的 第1 章绪论 改 变 而 变 化 3 0. 3 11在 废 水生 物 处 理 过 程中 ， 液 相中 溶 解的 有机 物 、 氧 等 不 断 地被 吸收到生物膜上，同时生物膜上的混合微生物在新陈代谢过程中完成对这些有 机物的 分解， 从而 达到连续 处理 废水的目 的。 生 物 膜 发 育 形 成的 条 件 和时 间 序 列 大 致 为 13 2 1: ( 1 ) 存 在 着 清 洁的 可 用 于 聚 居的固 体表面; ( 2 ) 一种有机分子膜快速形成; ( 3 ) 聚结的 细胞松散地附 着; ( 4 ) 聚居的细菌牢固地附着; ( 5 ) 微生物群落形成， 产生胞外聚合物; ( 6 ) 群落向 上和向 外扩展， 形成规则和不规则结构: ( 7 ) 生物膜成熟， 新的菌种进入 生物膜并生长，有机和无机碎片被结合，并 且溶液梯度形成， 导致了 生物膜空 间的异相结构; ( 8 ) 生物膜可能被噬 细菌的 原生 动物捕食; ( 9 ) 成熟的生物 膜可以 脱落，使这种循环交替地重复 进行; uo ) 形成了 一种顶级群落。 在混合生物膜中，微生物生长情况比 纯种培养要复杂的多。各种微生物 在群 体中相互影响，并共栖于一个生态平衡环境之中。通过镜检，可以看到不同微 生物在培养系统中，都有着特定的生长规律及生长曲 线。每条曲 线在这共栖环 境中，都有着它 自己的形状与位置，这一切都和环境中营养物质的变化以及微 生物之间的相互依存情况有关。 这些生长曲 线所反 映的 微生物群的生长规律， 有 助于工程技术人员 通过微生物镜检，去推知废水处理过程中的水质情况各种 微生 物的 生长曲 线如图1 . 1 所示 3 3 1 丝 终 璧 叮国 ，里纤 毛 虫 绝葬时阅 图1 . 1混 合生物膜生长曲 线 f i g u r e 1 . 1 g row t h cu r v e o f b i o - fi l m 1 . 3 .2生物膜的结构与形态 生物膜结构及其 表面形态直接制约着内 部混合微生物的生理与生化活性和 基 质与代谢产物有效传递。具 体讲来， 生物膜结构特性参数主要有: 密度、 孔分 布、空隙率、比 表面 积、吸附参数、 粘附强度、曲 折因 子、扩散系数、分形维 数 等 34 -3 51 。 随 着 透 射电 镜( t e m ) 、 扫 描电 镜( s e m ) 、 扫 描隧 道 显 微 镜( s c m ) . 第 1 章绪论 原子力显微镜 ( a f m) ，尤其是共 聚焦激光扫描显微镜 ( c l s m )、低 温超薄 切片技术和微电 极测量等高 新技术应 用到生 物膜研究当中，人们不仅了 解生物 膜 的 表 面 形 态 ， 还 能 认 识 生 物 膜内 部 微 观 结 构 3 6 4 0 1 p e y s ( 1 9 9 7 ) 14 1利 用 扫 描电 镜 与 共 聚 焦 激 光 扫 描 显 微 镜 观 察 到 : 非 均 相生 物 膜是由 镶嵌在胞外聚合 物、 基质中的 微生物小群落组成的，在小群落的 周围 布 满了各种空隙、微孔、通道。 影响生物膜 微观结 构与表面形态的 主要因素有以 下几方面4 2 4 3 1 ( 1 )混合微生 物。 微生物具有各自 不同的 生理特性、 生存环境，由它们构成的 生物膜无论是 从种群数量 上，还是密 度分布与厚薄 均匀程度上都各不相同。 ( 2 )基质及其传递。 培养基种类、成分和含量及其传递速率快慢均影响到生物膜厚度与不同深 度上混合微生物分布。以 基质氧传递为例， 若运移 速率较快，一般形成好氧生 物膜;相反，则形成的生物膜出现分层，表面为好氧型，而内部为厌氧型。 ( 3 )流体流动。 流体流动不仅局限 于液相中，生物 膜内部 往往也存在局部流体流动 4 4 1 ， 这 将对生物膜紧密程度、 表面 粗糙性和脱落产生显著影响。一般而言， 流速大， 形成的生物膜紧密 且表面 光滑;反 之， 形成的生物膜疏松而表面粗糙。事实上， 只有借助于数学模型才能深入研究众多因素同时起作用的复杂体系，如生物膜 这 样 的 微 生 态 系 统 4 51 生物膜内 微生物的 空间 分布极其复杂。 s a t o s h i 14 6 1 使用微生物切片 技术， 研 究异养菌和硝化菌 种间 竞争而产生的 混合群体生物 膜中微生物空间分布的 动力 学变化。 在生物接触反应器中用合成废 水培养的生物膜， 异养菌在获得溶 解氧和 空间上比 硝化菌更 加成功，并且 异养 菌在整个生物 膜中占 优势， 尤其在生物膜 表层中。在生物膜表 层中 硝化菌数量很 少， 主要存在于生物膜内 层。 1 . 3 . 3生物膜中的微生物 生 物 膜 主 要 是由 微 生 物 及 其 胞 外 多 聚 物 所 组 成 2 8 .3 3 1 ， 这 些 只 有 在光 学显 微 镜下才能观察到具 体形 态的 微生 物， 形态迥异，种类繁多， 但归 纳起来主要有 细菌、真菌、藻类 ( 在有光条件下) 、 原生 动物和后生动物等， 此外还有病毒。 生物膜中 的生物群和活 性污泥中的生 物群几乎没有什么差别， 但构成生 物膜的 第 1 章绪论 生 物种类的数量要比 活性污泥多得多， 因为生 物膜生 物的食物链比活性污泥的 长而且复杂. 1 3 3 ) 细菌 细菌是生物膜的主体，而其产生的胞外多聚物为生物膜结构的形成奠定了 基础。生物膜上细菌的种类取决于其生长速率和微生物膜所处的环境，诸如水 中 营养状况、附 着生长状况、 细菌在生物膜中 所处的 位置和 温度等 环境条件。 根据所需营养的不同，细菌可分为无机营养型的自 养菌和有机营养型的异养菌， 其中异养菌是生物 膜中的主要细菌 类型，能够从流经生物膜表面的 水中获得足 够的能量底物。 按照 细菌的生存是否需要和有无氧气， 异养 菌又 可分为好氧型 异养菌、 厌氧呼吸型异 养菌、厌氧异 养菌和兼性厌 氧菌4 类。 好氧型异养菌只能在有氧气存在的条件下生长，它们在呼吸过程中分解复 杂的有机分子并从中获得能量，并将电子通过一系列电 子受 体最终传给氧气便 形成水。 厌氧呼吸型异养菌是在厌氧条件下用氧以外的物质作为电子受体，如硝酸 盐等，电 子通过电 子传递系统 转移给硝酸盐并 使硝酸盐还原成 姚。尽管每 m o l 葡萄糖释放出的 a t p少于有氧的情况，但厌氧呼吸仍是一个有效的能量产生过 程。 厌氧异养菌仅在没有氧气的条件下生长，这些细菌从发酵反应中获得能量， 使有 机化 合物部分分解成低分子的 化合物如乙醇、乳糖、乙 酸等及释放一 些， 与 好氧呼吸相比， 发酵反应是 不完 全的，每m o l 的葡萄糖 仅产生2 m o l 的a t p . 兼性厌氧菌既能在无氧条件下进行发 酵反应，也能在有氧的条件下利 用电 子 传递链将电 子传递给氧， 这类细菌的数量 也相当 大。 这些不同菌种随生物膜厚度的 变化有一定的 分布，例如上层多为异养 菌， 而 下层则多为各种自 养菌。 细菌是生物膜中对有 机物氧化分解起重要作用的 微 生 物， 细菌类中有生枝动胶菌、浮游球衣菌、白色贝氏 硫细菌、球衣菌、 动胶 菌、硫杆菌属、无色杆菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属、假单胞菌属、诺卡式菌 属、 色杆菌属、八叠球菌属、粪链球菌、 埃希氏 大肠菌、副大 肠杆菌属、 亚硝 化草胞菌属、硝化杆菌属等。 1 3 3 . 2真菌 生物膜上的真菌类和活性污泥内的情况不同，繁殖得快，在营养及生活环 第 t 章绪论 境方面和细菌有竞争关系。 如真菌类过分地占 有优势， 则生物膜变厚并引 起滤 层堵塞。真菌是具有明显细胞核而没有叶绿素的真核生物，大多数具有丝状形 态，包括单 细胞的酵母菌 ( 在一定条件下亦形成菌丝) 和多 细胞的霉菌。真菌 可利用的有机物范围很广，特别是多碳类有机物，故有些真菌可降低木质素等 难降解的有机 物，当 污水中有机物的成分变化、负荷 增加、 温度降 低、 p h值降 低和溶解氧 水平下降 时， 很容易滋生丝 状菌，丝 状菌 过量会把滤层的孔隙堵塞。 生物膜中通常能见到的丝状菌有:瘤胞属、灿烂微重真菌、红色浆霉、水镰刀 霉、白 地霉、 皮状丝胞酵母等。 此外，有时也出 现茎点霉属、乳 节水霉、 纤细 腐霉、红酵 母属、 毛霉属、水霉属等。 真菌繁殖与 温度、 p h值、废水 b o d负 荷等因素 有关. 真菌繁殖的最适温 度比其他微生物低，在低温时原生动物和后生动物的捕食活力也随之下降，所 以 在冬季生物滤池易出 现真菌类大量 增长而生物膜加厚的 现象。真菌类的增加 和p h 值的 下降有很密切的关系， 有 报道指出， p h值在5 . 0 以下时， 白 地霉就成 为占 优势的菌种。 在碳氮比高的 废水中真菌类容易 反之，即 碳水化合物含量高 的废水，真菌比细菌易于形成优势。废水浓度高或 b o d负荷高时，容易促使真 菌类繁殖。 通常，当 酸碱性为中性、 b o d负荷低的 操作 条件下，真菌 类不能占 优势。 1 . 3 . 3 . 3藻类 生物滤池、生物转盘、淹没式生物滤池等在受到阳光照射的部分都会生长 藻类:明 渠和溪流的 岩石上也 经常发 现有藻类;普 通生物滤池表层滤料的生物 膜中 及附 着生长 污水稳定 塘的 填料上亦有大量的 藻类。藻 类是受阳光照射下的 生物膜中的主要 成分。